| |
Wersja PDF do pobrania. (  )
 Warszawa, 13 maja 2013 Promieniowanie terahercowe: powstał nowy rodzaj źródła promieniowania, owoc polskiej i francuskiej technologii Promieniowanie terahercowe, nazywane także promieniowaniem elektromagnetycznym wzakresie dalekiej podczerwieni jest wykorzystywane, poza badaniaminaukowymi, w diagnostyce medycznej, analizie zanieczyszczeńśrodowiska i systemach bezpieczeństwa, do detekcji ukrytej broni,czy kontroli zawartości podejrzanych przesyłek. Faleelektromagnetyczne w tym zakresie widma, (ok. 1012 Hz) sąsilnie tłumione w substancjach przewodzących prąd elektryczny,takich jak metale, oraz w wodzie i w elektrolitach, natomiast sąbardzo słabo tłumione w dielektrykach, takich jak „suche”tkanki, tłuszcze, tworzywa sztuczne, zębina, kości, papier czy teżodzież. Terahercowy obszar częstotliwości jest szczególnieatrakcyjny dla obrazowania dla potrzeb medycyny i biologii, ponieważpromieniowanie z tego zakresu nie jonizuje materii, a tym samym jestbezpieczne dla organizmów żywych. Może w związku z tym byćwykorzystywane na przykład w dermatologii do bezinwazyjnegoobrazowania struktury ewentualnych zmian głębszych warstw skóryludzkiej, zwłaszcza po rozległych oparzeniach i przy podejrzeniachzmian patologicznych, czy w stomatologii, zastępując nieobojętnądla zdrowia rentgenoskopię. Promieniowanie terahercowewykorzystywane jest także do kontroli jakości zapakowanej żywności,do detekcji ukrytej pod ubraniem broni, czy analizy zawartościchemicznej zaklejonych kopert. Głównym problemem wrozpowszechnieniu technik opartych na promieniowaniu terahercowymbyły dotychczasowe trudności w uzyskaniu silnych szerokopasmowychźródeł tego promieniowania i niedrogich, czułych detektorów. Stworzenie nowego, przestrajalnego półprzewodnikowego źródłapromieniowania terahercowego, będącego milowym krokiem na drodze doupowszechnienia zastosowań promieniowania terahercowego ogłosiławłaśnie polsko-francuska grupa fizyków.
W artykule opublikowanym ostatnio w Physical Review Letters, który jestwynikiem współpracy naukowców z Instytutu Fizyki PAN z dwiemagrupami z Paryża: z Laboratoire Pierre Aigrain, Ecole NormaleSupe´rieure oraz z Institut des Nanosciences de Paris, autorzypokazali, że modulacyjnie domieszkowane studnie kwantowe zbudowane zrozcieńczonych półprzewodników magnetycznych (w pracy zastosowanozwiązek kadmu, manganu i telluru: CdMnTe) mogą być efektywnymiźródłami promieniowania elektromagnetycznego dalekiejpodczerwieni, o częstotliwościach w zakresie teraherców (1012Hz). Ogromną zaletą źródeł terahercowych zbudowanych zrozcieńczonych półprzewodników magnetycznych jest ichprzestrajalność. Energia emitowanego promieniowania może byćłatwo zmieniana zewnętrznym, stosunkowo niewielkim i łatwym douzyskania polem magnetycznym. Studnie kwantowe wykorzystane wbadaniach wykonane zostały w Instytucie Fizyki PAN metodą tzw.epitaksji z wiązek molekularnych, która pozwala na nakładaniewarstw różnych półprzewodników z dokładnością sięgającąułamka pojedynczej warstwy atomowej. Nanostruktury źródełpromieniowania terahercowego zbudowane były z 20 tak zwanych „studnikwantowych” z CdMnTe, każda o grubości 62 warstw atomowych,otoczonych barierami innego półprzewodnika, zawierającego kadm,magnez i tellur: CdMgTe. W każdej studni znajdował sięzlokalizowany w dwóch wymiarach gaz elektronów o koncentracji5x1011 cm-2, wytworzony intencjonalnie poprzezdomieszkowanie barier studni atomami jodu. W związkach chemicznych,półprzewodnikach utworzonych z pierwiastków drugiej i szóstejgrupy układu okresowego: II-VI takie atomy spełniają rolę donorówczyli źródeł elektronów. Wytworzenie tych struktur byłowyjątkowym wyzwaniem dla technologii, ponieważ wszystkie studniemusiały być dokładnie takie same, co jest znacznie trudniejsze niżwytworzenie struktur z pojedynczymi studniami kwantowymi, takich jaknp. użyte uprzednio do demonstracji działania nowego typutranzystora spinowego (Science 337, 324 (2012);http://naukawpolsce.pap.pl/aktualnosci/news,391034,komputery-kwantowe-coraz-blizej.html).
Promieniowanie terahercowe z takiej struktury wielostudni kwantowych otrzymywanejest poprzez umieszczenie struktury w niskiej temperaturze, wzewnętrznym polu magnetycznym i oświetlanie jej ultra-krótkim (oczasie trwania rzędu femtosekund) impulsem świetlnym oczęstotliwości promieniowania w zakresie bliskiej podczerwieni.Energia fotonów impulsu jest idealnie dopasowana do energii przejśćmiędzypasmowych pomiędzy skwantowanymi stanami elektronów w studnii dlatego właśnie wszystkie studnie muszą być identyczne. Dziękitemu dopasowaniu energetycznemu femtosekundowy impuls światłabardzo efektywnie pobudza, poprzez tak zwany rezonansowy mechanizmrozpraszania Ramana, fale spinowe czyli oscylacje sprzężonychmomentów magnetycznych elektronów oraz momentów magnetycznychjonów manganu znajdujących się w studni kwantowej. Fale tezanikają w czasie kilku pikosekund po ustaniu impulsu pobudzającegoemitując promieniowanie terahercowe. Ważną cechą promieniowaniaemitowanego przez fale spinowe jest jego koherencja, istotna zewzględu na zastosowania takiego źródła światła.
Warto też wspomnieć, że już wcześniej naukowcy z IF PAN we współpracyz Uniwersytetem w Ratyzbonie wykazali także potencjał strukturstudni kwantowych CdMnTe z gazem dwuwymiarowych elektronów do czułejdetekcji promieniowania terahercowego (Phys. Rev. Lett. 102, 156602(2009)). Oba te odkrycia torują drogę do potencjalnych zastosowańtego typu nanostruktur z rozcieńczonych półprzewodnikówmagnetycznych w obszarze teraherców, w szczególności dla biologiii medycyny. Aspekt aplikacyjny opublikowanych ostatnio badań byłdlatego też współfinansowany poprzez projekt „Kwantowenanostruktury półprzewodnikowe do zastosowań w biologii imedycynie” (POIG.01.01.02-00-008/08)realizowany przez Instytut Fizyki PAN w ramach Programu OperacyjnegoInnowacyjna Gospodarka.
Instytut Fizyki PolskiejAkademii Nauk (IF PAN) z siedzibą w Warszawie powstał w 1953 roku jakoogólnokrajowa instytucja zajmująca się wszystkimi dziedzinami fizykidoświadczalnej i teoretycznej. Obecnie Instytut prowadzi badania zfizyki ciała stałego oraz fizyki atomowej i cząsteczkowej, w tym fizykipółprzewodników, promieniowania i magnetyzmu. Przedmiotem szczególnegozainteresowania są spintronika i nanotechnologie. IF PAN uczestniczy wponad 20 międzynarodowych projektach badawczych, publikuje ok. 300 pracnaukowych rocznie. PRACE NAUKOWE: "Terahertz Radiation from Magnetic Excitations in Diluted Magnetic Semiconductors"
R. Rungsawang, F. Perez, D. Oustinov, J. Gómez, V. Kolkovsky, G. Karczewski, T. Wojtowicz, J. Madéo, N. Jukam, S. Dhillon, and J.Tignon
Phys. Rev. Lett. 110, 177203 (2013) Strona www gdzie praca jest dostępna (pełny tekst dla prenumeratorów): http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i17/e177203 INFORMACJE DODATKOWE: Grant „Kwantowe nanostruktury półprzewodnikowe do zastosowań w biologii i medycynie– rozwój i komercjalizacja nowej generacji urządzeń diagnostykimolekularnej opartych o nowe polskie przyrządy półprzewodnikowe”,wartości ponad 73 mln złotych, jest finansowany w 85% zEuropejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach ProgramuOperacyjnego Innowacyjna Gospodarka 2007-2013(POIG.01.01.02-00-008/08). Głównymi uczestnikami grantu, którymkieruje prof. dr hab. Leszek Sirko, są Instytut Fizyki PAN(koordynator), Instytut Chemii Fizycznej PAN i Instytut WysokichCiśnień PAN. KONTAKTY DO NAUKOWCÓW: prof. dr hab. Grzegorz Karczewski Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk tel. tel. +48 22 8436601 w. 2541, 2551 email: karcz@ifpan.edu.pl prof. dr hab. Tomasz Wojtowicz Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk tel. tel. +48 22 1163123, +48 22 8431331 email: wojto@ifpan.edu.pl POWIĄZANE STRONY WWW: http://info.ifpan.edu.pl/nanobiom/ Strona konsorcjum NANOBIOM, realizującego projekt „Kwantowe nanostruktury półprzewodnikowe do zastosowań w biologii i medycynie”. http://info.ifpan.edu.pl Strona WWW Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk. http://press.ifpan.edu.pl Serwis prasowy Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk.
MATERIAŁY GRAFICZNE: IFPAN130513_fot01.jpg HR: http://press.ifpan.edu.pl/news/13/05/IFPAN130513_fot01.jpg
Rysunek ilustruje trajektorie w czasie momentów magnetycznych
elektronów (krzywa czerwona) oraz momentów magnetycznych jonów
manganu (krzywa zielona).Kierunek pola magnetycznego zaznaczono
strzałką niebieską.(Źródło: IF PAN)
| |
